【铁路储能系统分析9600字（论文）】

铁路储能系统研究TOC\o"1-3"\h\u29117一、绪论 15728（一）研究背景 19490（二）相关研究阐述 1321531.国外研究 1140462.国内研究 24206二、多种储能技术分析 218896（一）蓄电池储能技术 222811.蓄电池储能分类 244982.蓄电池充电方式 320136(二)超级电容储能技术 4223751.超级电容工作原理 4280532.超级电容特点 42168三、铁路储能系统分析 54985（一）背靠背混合储能系统分析 517317（二）飞轮储能系统 6212561.系统整体结构 7191662.变流器系统结构 78272（三）混合储能系统 872481.系统结构 8229702.系统工作原理 82557参考文献 10摘要电气化铁路一直在我国交通运输方式中占据着重要地位，近年来高迷铁路的飞快发展也十分瞩口，作为大宗工业电力用户，对于电力行业来说，铁路牵引负荷具有很强的波动性。由于机车制动方式产生的大量再生制动能量，给电网带来严重的电能质量问题并且也会直接影响到铁路部门的经济效益，同时，能源的节约与高效利用方式也是当下备受人们关注的问题。本篇文章从储能系统的国内外研究背景出发，进行多种储能技术的介绍以及铁路储能系统的分析。关键词：铁路；储能技术；储能系统绪论（一）研究背景铁路运输是韩国的主要交通工具之一，我国年铁路里程达8万多公里，居亚洲首位。随着社会经济的发展和居民经济水平的提高，原有的传统铁路运营方式已不能满足当今社会的发展需要，因此我国逐步转向电气化轨道交通。我国电气化铁路起步较晚，但进步惊人。韩国电气化铁路的建设始于1950年代后期，用了三年时间完成了第一条电气化铁路波峰段。可以看出，10年过去了，虽然在进行电气化，但韩国铁路产业的发展仍然滞后。后来，韩国意识到铁路对国民经济发展的重要性，决定加快铁路建设。随着中国、华北、华南三大电气化铁路网络的形成，韩国的电气化铁路行业进入了应急风扇空前的发展阶段。“四纵四横”的高铁布局格局。高铁的高成本增加了铁路部门的财政负担，因为高铁的赤字和收入经常减少。在电力企业电费负担加重的情况下，铁路企业急需为经济增长做好准备。由于牵引负荷普遍具有冲击性、不规则波动、变化频繁、峰谷区间大等特点，同时国内没有系统的运行数据，牵引变压器的容量设计满足高峰牵引负荷作为需求边界，而高峰负荷高峰不仅会导致技术上负序主导的电能质量问题，而且在经济上直接影响电力成本。由于高峰负荷与环境压力容量收费和高峰需求收费密切相关，如果峰值过高，铁路用户将承担额外费用。牵引供电系统的实际运行通常会导致负载峰值持续时间较短和变压器容量利用率降低的趋势，从而降低了牵引供电系统的经济性[2-5]。电力系统通常采用削峰和填谷测量来减少负载峰谷差异。对电网而言，削峰填谷有助于减少电网负荷峰峰差，提高发电设备的产能利用率，减少发电机组投资，创造电力供需。保持电网平衡，稳定运行，用户可以利用峰谷差价，获得降低电费的经济效果。有许多步骤可以实现削峰和腹部脱皮。用户侧通常配合供电部门建议的用电负荷管理措施，改变用电方式和时间。在电网侧，采用储能技术来实现这一目标。传统储能方式为抽水蓄能方式，现代先进储能技术主要研究飞轮储能、铅酸电池、锂电池等电池储能、超导体、超级电容器等电磁储能。研究表明，电池储能系统、超级电容器储能系统及其混合储能系统具有独特的优势，在实际应用中发挥着不可替代的作用。（二）相关研究阐述1.国外研究对电池的研究非常成熟。电池电压波动小，发电率低，与车载能源系统相比，电池更适用于陆地储能系统。在韩国，自2007年以来，可应用于混合动力汽车的桩离子电池的陆地储能装置的开发已投入实际应用。意大利的一项研究证实，大功率、高性能的堆离子电池可用于地面储能系统。这些电池比超级电容器更具成本效益。日本于1980年开始研究铅酸电池，2006年开始研究广泛使用的堆离子电池，陆地能源系统取得长足进步，镍金属电池也进行了同样的研究，但并不实用。在车载储能系统中，超级电容器具有相对优势，而电池的寿命相对较短。东日本旅客铁道株式会社与庞巴迪传动联合设计开发的电动火车动力装置主要由离子电池供电，接触网和轻轨可通过接触网或通过电池与对讲机电路通电运行。超级电容器的研究也非常广泛。根据德国的研究实验结果，轻轨超级电容器的节能效果达到30%。东海铁道株式会社也获得了类似的实验结果。除了轻轨，超级电容器还可用于通过牵引系统发电的混合动力汽车。研究表明，在德国内燃电动混合动力汽车中使用超级电容器进行储能可以减少二氧化碳排放并降低成本。超级电容器容量小，但寿命长。初期投资也在10年内收回。超级电容器也可用于陆地能源系统。超级电容器是日本陆地储能系统中使用的主要设备。意大利的一项案例研究表明，使用超级电容器的地面储能系统不仅有助于调峰，还可以降低空调成本。飞轮储能的研究也在飞风扇的发展中。在电力系统中，飞轮储能技术主要用于降低用电负荷的峰谷填谷，同时可以提高系统的稳定性。从2009年开始，美国进入飞轮储能商业化阶段，这一事件进一步刺激了飞轮储能技术的兴起，并出现了多个飞轮协同工作的工程应用，导致容量和容量的显着提升。飞轮的功率从千瓦级增加到兆瓦级。2010年，美国BeaconPower组建了200个100kW/25kWh飞轮阵列，使飞轮储能系统总容量达到100MW/SMWh}2}。o德国在单飞轮方面做了大量的研究，致力于提高单飞轮、飞轮的充放电功率和储能能力。2011年，德国Piper公司利用单飞轮充放电功率，维持15秒最大功率输出，调峰功率达到1.65MW。由于工程应用的需求，飞轮储能系统正朝着大容量、大功率的方向发展。2.国内研究我国将电池应用于电力系统的研究有着悠久的历史。由于电力工业的发展和电池制造技术的快速发展，未来10年它一直在不断变化。一般来说，1970年代之前用于电力系统的电池都是铅酸电池。1970年代开始使用半封闭式铅酸电池，1980年代中期开始普遍使用100Ah以下的镍强化电池。1990年代具有安装方便、维护少、环保等一系列高可靠性优点。1990年代后期迅速占领市场，广泛应用于工业领域。2010年，三套100kw镍氢电池储能系统在九溪变电站储能试验园实施。在韩国，飞轮能量的利用还处于理论研究阶段，大部分理论成果还处于实验阶段，工程应用与其他国家相比还存在不足。清华大学于1997年设计的复合飞轮储能装置是韩国首个成功实现充放电的飞轮储能系统。第二代储能系统于1999年设计，容量翻倍[yo-I2]。之后，中国科学院设计并实现了一种微电网惯性储能装置，该装置的主要目的是提高微电网的电能质量，应用是保证和提高电网系统安全运行的稳定性和可靠性.让它中国科学院在超导磁悬浮技术方面也取得了不错的成绩。2017年，盾石磁能科技有限公司成功研发出大功率GTR飞轮储能装置，该装置单飞轮放电功率333kW，储能容量1.56kWh，采用磁悬浮技术，充放电时振动较大，飞轮储能技术是中国飞轮储能技术应用史上的一个重要里程碑，在我们的项目中得到广泛应用。二、多种储能系统分析（一）蓄电池储能技术1.蓄电池储能分类电池储能是一项历史悠久、发展成熟的储能技术，广泛应用于生活的各个领域，并且通过不断的改进，也发展出了各种类型。下面介绍常用的电池种类、学习中必须掌握的参数、充放电方法。以下是常用电池类型的一些典型示例。W铅酸阀调节电池：由于其结构特性，这些电池的电解液消耗量非常低，因此需要很少的额外水。优点是对高温和振动的适应性强，使用寿命长，自放电率低。铅酸VRB主要用于汽车和电动汽车的电力，最近也广泛应用于通信、配电网、交通牵引等领域。铅酸胶体电池：胶体电池是在铅酸电池的基础上发展起来的，硫酸通过凝胶形成胶体状态。其主要优点是：经济和环保成本低，可以提高电池的性能，放电稳定，拐点高，比能量大，比铅酸阀寿命长。它是经过调节的电池，受温度影响较小。近年来，胶体电池也得到了广泛的应用，主要用于大规模储能应用。Ni-FuBattery:Ni-Fu电池是一种经济型长寿命电池，充放电循环寿命可达1000次以上，放电时电压不明显下降。它非常适合用于直流电子设备（如数字设备）中的电池，但由于其毒性而在许多国家/地区被禁止使用。镍氢电池：镍氢电池电流比普通碱性电池大，优于镍氟电池，因此对快速耗电有很好的适用性。主要用于动力电池，也广泛用作通讯设备的电源。桩电池：桩电池以桩离子为材料储存电能，具有在两极之间移动的可逆性，具有能量密度高、使用寿命长、环保等优点。大多数情况下，它们是计算机电源、手机和其他小型设备。磷酸铁焦耳技术的发展是实现大容量焦耳电池储能的关键，虽然磷酸铁焦耳的能量密度较低，但安全性能大大提高，是一种储能技术。液流电池（包括钒电池和锌澳电池）:液流电池充放电性能好，频率高。输出功率和储能容量由化学反应面积和存储的电解液体积决定，可以单独设计，大大增加了电池的灵活性。液流电池电化学极化程度小，其中全钒液流电池具有储能容量大、100%深度放电、能效高、充放电快、寿命更长等优点。比同类型的其他产品。2.蓄电池充电方式在电池的充放电过程中，不同的充电方式会不同程度地影响电池的寿命。充电方式主要有恒流充电、恒压充电、恒功率充电、风扇快速充电等。（1）恒流充电方式电池恒流充电是指充电电流恒定，充电曲线如图2-1所示。充电时，根据电池端电压的变化实时调整充电电流，保证电流恒定，这种方式主要应用于多节电池串联配置电池组时。这种充电方式比较适合电流不大但时间较长的情况，因为当单节电池的电压低于其他值或标准值时，可以快速恢复低压电池的电量.这种方法的缺点是在充电后期，充电电流变大，释放的气体较多，一定程度上影响了充放电效率。(2)恒压充电方式恒压充电是指对电池进行恒压充电，充电曲线如图2-2所示。充电开始时，电池两端的初始电压较小，因此电流会稍大一些，但随着充电的进行，电流逐渐减小。在充电结束时，电流可以减小到一个很小的值，所以在这个过程中不需要控制电流。与上述方法相比，充电过程中产生的气体更少，充电时间更短。需要注意的是，过大的初始充电电流可能会超过电池的额定电流，容易损坏电池。(3)恒功率充电方式恒定功率充电是指从固定电源对对电池充电。常规电网是集电能的产生、转换、传输、分配和使用为一体的系统，电力系统的功率实时波动，必须控制功率平衡。对于一些小规模的用电，如微电网，往往使用新能源发电，同时用户较少，往往存在不平衡。这个现象。当系统检测到功率变化并获得功率差时，通过电力电子变流器控制来保证系统的功率平衡，从而实现对电池的恒功率充电。这样，储能系统以恒定功率存储和供应电能，实现内部功率平衡，实现系统的电压和频率稳定。这种方法可以有效地解决电力平衡问题，特别是应用于微电网时，可以调节和分配电力。(4)分段充电方式基于上述方法，常用的有二阶段充电法和三阶段充电法，如图2-3所示。两步充电法是在启动时恒流充电，当电池达到一定容量时再恒压充电的方法。三相充电是基于增加了一个恒压浮充阶段。可以确认电池已经充满电了，这种方法充电效果很好，很完美。(5)快迷充电方式除上述方法外，为总结上述优点和缺点，人们开发了几种减少化学反应时间的方法和技术，主要包括脉冲充电法、变电流间歇充电法等。(二)超级电容储能技术1.超级电容工作原理1960年代出现的超级电容器，与电池相比，是一种优越、环保、非常实用的储能方式。最近，超级电容器在韩国新兴能源领域蓬勃发展，许多西方国家将超级电容器相关研究项目列入国家重点研发项目。超级电容器作为分布式储能设备用于多种用途，为电网中的突发事件做准备。功率稳定性超级电容器和燃料电池的组合可用于电动或混合动力汽车，以最大限度地减少电池损耗并延长使用寿命，同时提高动力汽车的耐用性和实用性。储能系统的寿命，在交通运输方面，列车的特殊功能需要连续频繁的起停，在此期间，由于工况反复变化而损失的能量非常大，超级电容器可以储存制动时的能量，释放时，除了省电性能外，还可以用于各种领域，即使是军用，其用途也非常广泛。超级电容器的结构和电容原理不同于传统的储能器件，其工作原理是基于双电层电容效应。双电层电容器由集流体、电解液、极化电极和隔膜四部分组成，电容器的性能受极化电极和电解液的影响。2.超级电容特点与化学电池相比，超级电容器具有明显的性能特点和储能优势：充电更快。普通化学电池充电到一定容量可能需要几个小时，但由于超级电容器采用大电流充电，因此超级电容器的充电过程可以在几分钟甚至10秒内完成。高功率密度。超级电容器的功率密度是常规化学电池的10倍，因此可以提供特别大的脉冲电流，并且可以配置一定容量的超级电容器来满足高功率要求，也适用于频繁负载。波动场，可以大大提高系统的稳定性。更长的使用寿命。与其他电容器不同，超级电容器的充放电过程没有任何内部化学变化，是一个物理过程，整个过程是完全可逆的，因此超级电容器的寿命不会因为充放电过程而缩短。受环境温度影响较小。超级电容器在军事领域发挥着非常重要的作用，即使在零下10摄氏度的环境下也能正常工作，因此与其他储能器件相比，它能够很好地适应较低的温度和恶劣的环境，并保持良好的性能。对环境有轻微污染。超级电容器使用碳作为材料，在整个应用过程中不会污染环境，与传统化学电池相比，可以减少许多有害物质的排放，如今全球污染问题严重，超级电容器值得研究。作为发展趋势.除了上述优点外，超级电容器还有一些不可忽视的缺点。超级电容器的能量密度很小。所以使用同样的容量需要超级电容，需要更大的空间、更重的重量和更高的成本，这就是端电压波动的问题。超级电容器的端电压变化，在储能过程中需要额外的电力电子器件来保持整个充放电过程中输出电压的稳定，这是电压平衡的问题。超级电容器的电压单体比较小，通常采用串联和并联的方式来满足应用的高电压和大容量条件。然而，电容器组内部存在电压不平衡问题，影响其效率，缩短其使用寿命，因此有必要对其电压平衡控制进行研究。由于交流列车高铁的制动功率较高，对容量和功率等级的需求高于地铁等直流网络。牵引网在这方面存在一些缺陷，所以没有选择这个话题。三、铁路储能系统分析（一）背靠背混合储能系统分析背靠背混合储能系统接入牵引供电系统的整体结构如图所示。其中，背靠背混合储能系统主要由混合储能单元、背靠背变流器及降压变压器构成。混合储能系统中蓄电池与超级电容通过双向DC/DC变流器并行接至公用直流电容，实现电量的余缺调剂;所示背靠背变流器借鉴铁路功率调节器基本原理，通过采用2台单相四象限变流器，直流侧共同接于公用电容，交流侧经滤波后通过降压变压器分别跨接于两侧27.5kV牵引馈线上，形成结构对称的背靠背结构，通过控制两侧变流器输出功率，实现α,β相间再生制动能量的优化利用及无功负序动态补偿。整个系统的能量分配关系如图所示。其中:尸二、尸。分别为a,p相牵引负荷的有功功率;为牵引负荷总有功功率，即p=pa+pR;pac"p(3。分别为a,p相变流器输出有功;psystem为电力系统输出功率;pESref为混合储能系统参与调剂的功率;pabd为未利用电量(通过制动电阻耗散);pba，为蓄电池输出功率;Ps。为超级电容输出功率;ptr。为牵引工况判定阂值;尸reg为制动工况判定阂值。通过判定阂值Ptra"P_reg及检测的实时功率P,将牵引侧运行状态划分为牵引状态、空载、制动状态。其中，牵引及制动状态下各单元之间的功率关系如下:空载状态下，两电臂的空载损耗由电力系统提供p-psystem;同时，为保证下一次动作高效执行，蓄电池依据其荷电状态进行充电/待机控制，SC进入待机状态。为改善牵引供电系统电能质量，利用背靠背变流器四象限运行能力:一方面通过输出无功电流进行一定的无功补偿;另一方面，通过对两供电臂的有功电流进行动态转移，混合储能系统参与余缺调剂的方式，降低负序电流，减小三相电压不平衡度，以实现对牵引供电系统无功负序的综合补偿。为简化说明，以两臂均为牵引工况为例，则补偿后系统伽1丫相申流午量图。（二）飞轮储能系统与前两种储能技术相比，飞轮储能系统（FESS）是一种超越常规化学电池范围的新型机械储能技术。高转速飞轮用于储能，通过与飞轮相连的电动机/发电机实现电能和动能的相互转换。1970年代，国外首次对飞轮储能进行了研究，其中美国在该领域处于领先地位，其次是日本和德国。我国在飞轮储能领域起步晚于欧美，其中中科院电机所在飞轮储能领域处于领先地位。科学院牵头研究它。1990年代以后，一些高校逐渐开始探索相关领域。总的来说，韩国对飞轮储能技术的研究大多集中在高校和科研院所，大多处于理论研究阶段，相关实验和实际工程应用较少。飞轮储能技术主要由三部分组成：存储能量的飞轮转子，负责能量转换的发电机或电动机，以及支撑转子的提取系统。还有一些支撑系统，如真空室、外壳等。飞轮储能是通过飞轮转子实现的。储能系统的功率密度和能量密度受转子的质量、形状和旋转的影响，是影响储能容量的最重要因素之一。由于最大旋转与发展息息相关，因此材料工业中复合材料飞轮的大规模研发是未来飞轮转子发展的关键。轴承的作用是支撑飞轮转子和电机，针对飞轮转子高转速、高负载、低损耗的要求，开发了常规轴承、超导磁悬浮、永磁悬浮和电磁悬浮技术。特别是高温超导磁力轴承具有更高的旋转、更长的使用寿命和无机械磨损的优点。受到了许多国家的高度重视，这也是未来克服大型飞轮轴承技术难点的主要方向。飞轮电机是实现电能和机械能转换的关键，电机可以通过发电机和电机两种方式工作，而且由于飞轮转速非常快，电机通常使用功率更大的高端电机。功能。永磁电机、磁阻电机、感应电机等结构复杂。其中永磁电机结构简单、磁密度高、无励磁损耗、效率高，适用于中小型高发电机。供电系统与电动机之间的桥梁是系统的电能转换电路，主要用于控制电动机（或发电机）实现电能和动能的相互转换，实现双向.能量流。随着电力电子技术的发展，IGBT、工业GCT等新型功率器件的应用越来越广泛和完善，可以进一步提高功率转换电路的能量转换效率和器件的开关频率。减少传导损耗。飞轮储能系统的工作原理是通过飞轮的高速旋转将传入的电能转化为机械能存储。具体流程为：当飞轮储能装置处于充电储能模式时，此时飞轮电机作为电机，引入电能后，由三相变流器驱动电机。通过连接转子形成扇形，将电能转化为动能，实现储能。当飞轮增加到最高转速时，储能系统从储能模式切换到储能模式（待机状态），在此期间飞轮的转子速度保持恒定。直到控制系统发出信号飞轮进入能量释放模式（放电状态），此时电机工作在发电机模式，飞轮转子驱动发电机发电，电能流入电网。或者，它通过传感器施加负载将动能转换为电能。飞轮储能系统运行时，能量转换过程是由电机完成的，因此选择合适的电机类型对飞轮储能性能影响很大。飞轮电机转速高，转动范围大，对电机提出了更高的要求，在选择电机型号时，必须满足以下要求：(1)基本条件：电机必须是可逆的。即必须能够同时满足发电模式和电力模式的运行，发电/发电效率必须高。(2)应用条件：电机可以高速旋转，适应大范围的风度变化。(3)稳定条件：为了保证整个储能系统的稳定运行，飞轮电机应具有快速的充放电切换响应和更好的调谐性能。(4)功能条件：电机必须有更大的输出和输出扭矩，并且必须有更低的空载损耗。(5)经济条件：是电机的寿命和空载损耗。为了最大限度地提高储能的经济性，飞轮电机必须具有较长的使用寿命和较低的空载损耗。(6)实用性：电机结构简单，坚固耐用，运行稳定，易于维护。按照以上要求，可选的电机包括感应电机、永磁电机和磁阻电机，永磁飞轮储能装置依靠电机的状态变化来实现各种工况的运行，通常以充电来区分。工作条件和连续工作条件。1.系统整体结构该系统安装在变电站内，系统由现有铁组成，采用高铁常用的VW型变压器连接方式设计。在连接开关闭合的情况下，两个供电臂分别为左右上下线供电，飞轮储能单元通过后部与供电臂相连。用于储能和释放的背对背转换器和降压变压器。两个电源臂通过背靠背转换器连接在一起，中间直流环节安装了飞轮储能装置，这种安装方式是一套飞轮储能系统可以同时为两个电源供电。补偿T1和T2臂可以显着降低变压器的峰值功率概率，同时吸收和再利用两个功率臂产生的再生电能，有效减少变压器的损坏2.变流器系统结构背靠背转换器系统通过降压变压器连接到两个电源臂中的每一个。该系统包括两个背靠背电压源变流器，在变流器直流侧安装一个电容器，直流电容器用于稳定直流侧电压，附加一个飞轮储能装置，两者之间采用协调控制。两台单臂换流变压器，一台逆变器控制无功功率和直流侧电网电压，另一台逆变器负责能量分配，变压器对外放电时飞轮储能装置对外放电。达到批准的负载以降低变压器的峰值需求。当线路中有制动能量时执行能量回收。背靠背变流器通过电抗器和单相降压变压器与牵引变压器的二次侧供电臂相连，使两个供电臂进行功率融合，使两个供电臂负载相同，因此是负序的，由于电流的影响，两个转换器都可以抑制谐波。飞轮储能系统可以通过背靠背变流器实现能量传输，降低变压器的高峰需求，降低高峰需求收费，避免供电部门的罚款，同时减少投资。（三）混合储能系统1.系统结构混合储能系统主要由铁路功率调节器（RPC）、双向DC-DC转换器、电池和超级电容器组成，RPC由两个电压源转换器组成，形成对称的背靠背结构。变流器的工作状态实现了牵引变电所左右供电臂之间有功功率的双向传输，电池和超级电容分别通过双向DC-DC变流器接入直流母线，形成混合动力。储能系统功率充放电由两个控制器独立控制，便于不同储能元件之间的能量调度和功率分配，并可以实现充放电状态的灵活切换，存储和释放列车再生制动。2.系统工作原理电气化铁路混合储能系统忽略了系统的传输损耗，通过背靠背变流器有效回收列车制动产生的再生能量，按照图1规定的正方向显示功率关系。在上述系统中，您可以分别得到左右转换器的输出功率。pHESS为混合储能系统的输出功率，pbat为电池的输出功率，Ps。超级电容器的输出。当列车产生再生制动能量时，在牵引供电系统中优先用于同一臂或不同臂。定义牵引网左右动力臂负载有功功率之和为pLoad，即pLoad-pLa+pL，并将混合储能系统的充放电阈值设置为pN'。这里，当pLoadpN时，多余的再生制动能量被混合储能系统吸收，当pLoadPP时，混合动力储能系统释放回收的再生制动能量以减轻铁路负荷。因此，为了平衡左右电源臂的负载，混合储能装置的目标功率可以表示如下。文献的方法，即在系统运行过程中，需要限制混合储能系统和变流器的最大输出功率，储能介质的功率和荷电状态（SOC）必须在一定范围内运行。参考文献[1]耿安琪,胡海涛,张育维,等.基于阶梯能量管理的电气化铁路混合储能系统控制策略[J].电工技术学报,2021,36(23):10.[2]邬明亮,戴朝华.电气化铁路自发自用型光伏储能系统及其控制策略[J].供用电,2018,35(12):7.[3]邬明亮,王世彦.面向电气化铁路的